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哪些核心问题影响着便携性MP3或手机对耳机的驱动力?
发布时间:2013/1/31 15:08:00 来源:
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便携性MP3和手机适配的耳机阻抗一般在16欧到32欧,无法驱动一些阻抗较高的高端耳机,这一情况通过怎样的设计或者硬件能够得到改善?

目前影响手机或便携式 MP3 对耳机的驱动力核心问题显然只有两个——电源续航与元件体积。

而这两个问题必然会得到解决,因为限制它们的因素并非是机械或者物理上的因素,而是元件自身性能受限所导致的问题。所以这两个问题实际上也是目前业界正在集中攻关的热点问题。

首先来分析电源续航。@堂主 已经说的很清楚了,在目前电池技术没有得到突破的大前提下,电源一直是手机和便携式 MP3 难言的痛,尤其是在当前情况下,主流市场需求决定了更大更清晰的屏幕还有速度更快,反应更流畅的处理器应当是最优先被照顾的对象。

但是在电池技术没有取得大的突破的前提下,手机或者便携 MP3 有可能把输出功率做上去么?完全有可能,而且我相信在未来,这一梦想很快就会被实现——因为我们忽略了一点,就是目前音频功放电路还低得可怜的工作效率。

音频功放电路的工作效率之低,主要是由于其基本元器件——晶体管的固有缺陷所引起的。有人会问,即使是工作效率最低的甲类运放,其效率最高也能达到 40%,听说 D 类功放效率竟能达到 96% 以上,为什么你还说耳机上的功放效率还很有提升空间?下面给一张对比图:引用来源:《如何为便携式音频应用选用耳机放大器》(wolfson公司商业宣传材料)

通过该图片我们可以看到,在 5mW 输出的前提下,几种典型的放大器输出效率甚至不到 1/4,也就是说大约 75% 的能量都被损耗掉了。为什么它们的工作效率如此低?这是因为它们的输出功率都很低——要知道,放大电路的工作效率并非一个恒定值,而是与其输出功率有关。而由于晶体管固有的管耗问题,使得晶体管的工作电压/电流越低,相对损失的能量就越多——所以最后的结果就是,输出功率越小,则工作效率越低。可见如果能够将放大器在低功率下的工作效率提升的话,也可以实现放大器的高驱动输出。

目前为了提升放大电路的工作效率,大多数手机芯片组厂商开始从过去传统的 AB 类放大电路转移到新的放大技术,目前的研制方向分为两类——一类是 D 类放大,另一类是自适应电源供电的放大(如 G 类、I 类放大)。这两类放大器的设计完全体现着两种思想:

D 类放大作为一种颠覆了传统线性工作方式的放大模式,通过算法将原待放大的线性信号,变换成了仅包含1,0两种状态的离散信号,使得晶体管在放大这一新信号时,能够绕开其工作效率很低的线性放大区,始终工作在高效的开关(饱和——截止)状态,从而有效提升放大电路工作效率。该技术早已在大功率用电器上开花结果,例如变频空调,变频冰箱等。
自适应电源供电的放大技术则是老树开新花,在已经沿用了几十年的线性放大技术上,通过智能调节放大电路的供电电压,从而达到改善目前线性放大电路工作效率较差的目的。 这一技术成型较晚,但是发展很快,苹果公司的 iPod 的续航时间从 iPod video 的 10+ 小时提升至 iPod classic 的 30+ 小时,iPod classic 采用的 G 类耳机放大电路功不可没。一张图说明 G 类放大器提高工作效率的原理:
参考来源:《I²C音量控制G类耳机放大器简析》(摘自《电子设计应用》)

接下来,我们来看看两种改进是从何出发点来考虑的?

不妨打个比方:假设放大器是一个公司的翻译部门,他们的任务就是将公司递交的材料(从 DAC 输入的信号电流)按时翻译出来(放大输出),但是这个部门的缺点就是,公司下发的任务量不固定。为了满足公司布置下来的任务,这个部门就得时刻保持雇佣着一定数量的翻译,以提供足够的人手来满足翻译任务,例如为了满足每天10万字的翻译量,而每个人每天只能翻译5000字,就必须要给20个人开出工资。由于公司给的活我们只知道最大的时候会给多少(信号满格输入),所以哪怕某天的任务量一共只有1000字,翻译部门也必须维持在20个人的数量。 这样的话公司就得时刻为这20个人付工资,而回报却不高。

为了压榨翻译们的剩余价值,A 公司和 B 公司的财务分别出了两个馊主意:
  • A 公司的财务发现,他们所在的国家(电子电路)神奇的劳动法(物理规律)有漏洞,虽然规定了翻译们的基本工资必须得付,但是雇佣/开除翻译的成本却很低,而且不愁雇不到。于是他们的馊主意就是找一个人来将公司派下的翻译任务换算成工作量,以10万字为100%,而1千字就是1%,接下来的翻译工作,则通过和这20个翻译不断签约/解约……来实现。如果公司给的任务是1千字,那么就和20个人签 86400/100 =864 (秒) 的工作协议,等他们把活干完就一脚踹走,等下一次来任务了,再雇20个人……后来,人们把这类吝啬的公司称之为「D类」
  • B 公司的财务则发现,公司只要求自己派下的工作量必须完成,但并未要求一定得时刻保持 20 个人的翻译队伍才可以。于是他把这 20 个人分成两组,平时当任务量小于5万字的时候,就只让其中一个组来翻译,这样就节省了一半的花销;等到任务量大于5万字的时候,再临时把另一个组的人雇佣来干活……后来,人们把这类吝啬的公司称之为「G类」

相对来讲,D 类放大器理论上效率最高,但是由于耳机放大电路始终工作在较低功率范围内,D 类放大电路的优势无法完全施展,或者说,在手机上使用 D 类放大器还是有点 “张飞穿针眼,大眼瞪小眼” 的感觉,因此其工作效率仍有提升空间。

目前业界最新的研究热点,则集中于全新的 I 类放大器。该放大器的基本思想与 G 类近似,但 G 类放大器的供电电源输出幅度只能在几个预订的值之间跳动,I 类放大器则是在保证一定冗余的前提下,供电电源大小随着信号幅度变化而连续变化,因此可以比 G 类功放提供更高的工作效率。但是目前 I 类放大器应该还在实验室研制中,没有成品问世。类似的全新放大技术还有 AD 类放大,目前也在研制中,同样以提高放大电路工作效率为目的。引用来源:《带自适应电源的高效线性音频功率放大器的研究与设计》(复旦大学博士毕业设计论文)

除此之外,对手机以及 MP3 超薄的体积还有更低的发热量这些额外需求,也在限制着便携播放器放大电路的设计。但是随着目前工艺的提升,小体积元器件的性能正在变得越来越强大,正如现在一个指甲盖大小的晶体管性能远超过去的大灯泡(电子管)一样,曾经的电解电容以及陶瓷电感,如今都可以做成贴片元器件,而性能则依旧保持相近

murata 公司最新开发的电感,比现有产品面积缩小 75%

即便以上两点可以被忽略,我们仍未提起未来电池技术取得突破性进展的可能性——而目前一个个高性能的电池正在不断被研制出来,电池密度记录正在不断被刷新。

所以总体来说,我对未来手机和便携 MP3 的音质抱有绝对的信心。即使目前我们还停留在晶体管时代,但是手掌的方寸之间还有巨大的潜力供人研究和挖掘。而随着智能手机市场的全面开战,越来越多的目光已经集中在了过去乏人问津的音乐手机概念上——虽然其中也存在着类似 HTC 炒作 beats 概念这样哗众取宠的厂商,但主流厂商已经开始将自己的精力放在了踏实做出好音质的姿态上。过去安卓手机和高通芯片组的 SRC 问题令人诟病,而如今这一问题已经逐渐在各家厂商的产品中得以解决正说明了这一点——那么既有集成模拟器件性能开始爆发的天时,又有智能手机厂商开始追捧概念的人和,还有什么理由去看衰手机 HiFi 呢?

 
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